國立台灣師範大學物理系 物理教學示範實驗教室(網站) 物理問題討論區 (黃福坤)
我們也針對科學教學建立開課系統:科學園,讓老師更方便運用網路科技輔助教學,歡迎教師多加利用! 中學物理(維基)
(學習物理不只是know HOW 更重要的是 know WHY, 歡迎參考聞名全球的物理動畫, 英文網頁NTNUJAVA以動畫為主) 白話物理
關鍵詞 最近 物理名詞中英檢索 無法登入或系統功能不正常回報
討論區首頁 >>物理課程相關問題(分成國中/高中/大學等區) >>國中物理教材內容討論>>電力傳輸以高電壓為之較以高電流為之好
本區 註冊登入 者方可留言 備用網站網址 http://enjoy.phy.ntnu.edu.tw/demolab/phpBB/
本討論串狀態為:提出問題,等待討論
想檢測你的物理概念嗎? 歡迎到 考考你單元 (適合國中物理程度)考考你單元(配合圖片或影片解說) 挑戰
電磁 標題:電力傳輸以高電壓為之較以高電流為之好
1:physman榮譽點數3點 (研究所)張貼:2002-12-02 22:27:00:
這個問題再討論區中已被討論過幾次了。
一般的解釋是利用P=IV再加上電力傳輸時電流是不能保持一定(因為隨傳輸距離加大電阻增加則電將變小)而是電壓保持定值,所以將I以V/R代之而不是將V以IR代之,因此P=V^2/R,由此可知要P大(傳輸功率大)就要電壓變大才行。但是這樣的解釋對國中生來說似乎有點複雜了,不幸的是國中理化第14章中就提到這點,而且書中只寫出結果並沒有原因解釋。不知道有沒有更簡易的說明方式呢?
本人是這樣解釋的:利用P=IV=I^2*R=V^2/R及R=導電率*(l/A)
當P一定時,I和R成反比,所以高電流就要低電阻,則在相同導線下其長度(l)就短;
反之,就V、R來看,則兩者成正比;所以高電壓時就要大電阻,這表示其長度就要長,亦即傳輸距離遠之意,故電力傳輸以高電壓為之。不知這要的解釋有沒有問題呢?
另外,這樣的解釋其實個人並不滿意,因為它用了太多的數學,沒有了物理,但以物理來解釋真的不容易讓國中生了解啊!
2:黃福坤 (研究所)張貼:2002-12-04 19:44:00: [回應上一篇]
首先 $P=IV#width=40&height=28$是定義

當使用電壓源時 電壓V固定
配合定義 $R=\frac{V}{I}#width=39&height=51$
於是 $P=IV=\frac{V}{R} V =\frac{V^2}{R}#width=113&height=62$

當使用電流源時 電流I固定
於是 $P=IV=I (IR) =I^2 \,R#width=128&height=41$
但是請不要寫成 $P=IV=\frac{V}{R} V =I^2 \,R#width=119&height=51$
因為以上兩個狀況是不會同時存在的
雖然數學上看起來沒錯 但是物理上最後的等號是沒有意義的

電流在導線中傳輸時 導線本身有電阻因此會消耗電能
所消耗的電能是 $P_1=I^2 R#width=58&height=49$ (導線通過相同的電流)
因此若是通過導線的電流愈少 導線所消耗功率就相對減少
而用戶所需要的傳輸功率是 $P_2 = I V#width=49&height=36$ (此功率和上述功率是不同的)
在維持相同傳輸功率的狀況下 以高電壓傳輸則 通過導線的電流便愈少 於是減少導線所損耗的功率

3:physman榮譽點數3點 (研究所)張貼:2002-12-04 22:57:00: [回應上一篇]
Quote:

在 2002-12-04 19:44, 黃福坤 寫了:
首先 $P=IV#width=40&height=28$是定義

當使用電壓源時 電壓V固定
配合定義 $R=\frac{V}{I}#width=39&height=51$
於是 $P=IV=\frac{V}{R} V =\frac{V^2}{R}#width=113&height=62$

當使用電流源時 電流I固定
於是 $P=IV=I (IR) =I^2 \,R#width=128&height=41$
但是請不要寫成 $P=IV=\frac{V}{R} V =I^2 \,R#width=119&height=51$
因為以上兩個狀況是不會同時存在的
雖然數學上看起來沒錯 但是物理上最後的等號是沒有意義的

電流在導線中傳輸時 導線本身有電阻因此會消耗電能
所消耗的電能是 $P_1=I^2 R#width=58&height=49$ (導線通過相同的電流)
因此若是通過導線的電流愈少 導線所消耗功率就相對減少
而用戶所需要的傳輸功率是 $P_2 = I V#width=49&height=36$ (此功率和上述功率是不同的)
在維持相同傳輸功率的狀況下 以高電壓傳輸則 通過導線的電流便愈少 於是減少導線所損耗的功率



非常謝謝黃老師的解釋
但仍有一些疑惑
1.電阻的耗電功率不是也可以表為P=(V^2)/R嗎?
若是這樣,那麼P要求要小不就是V要小了嗎?
2.以P=(V^2)/R、P=I^2*R和R=電導率*(l/A)來解釋電能傳輸是否洽當呢?
4:Clever (國中)張貼:2002-12-05 02:17:00: [回應上一篇]
大概是是我沒把文章看完...
但還是有個問題想請教一下,我一直搞不懂..不是說P=IV所以V大I就小,但是以長距離來說,銅線就好比一個電阻(R),而V=IR(R固定)那V大,I不是也應該大嗎??
5:黃福坤 (研究所)張貼:2002-12-05 16:43:00: [回應上一篇]
Quote:

在 2002-12-04 22:57, physman 寫了:
非常謝謝黃老師的解釋
但仍有一些疑惑
1.電阻的耗電功率不是也可以表為P=(V^2)/R嗎?
若是這樣,那麼P要求要小不就是V要小了嗎?
2.以P=(V^2)/R、P=I^2*R和R=電導率*(l/A)來解釋電能傳輸是否洽當呢?


一般家用電源為電壓源 因此電器所消耗的功率是 $P=\frac{V^2}{R}#width=45&height=62$
但是我們在討論傳輸問題時 所談的是 導線所損耗的功率 而不是使用端 負載所損耗的功率 不要將以上兩者混淆
此時 傳輸線 電阻固定

例如 使用者要求傳輸 1000瓦 的功率
輸導線電阻為 1歐姆
若是以 100伏特傳輸 則需要提供 10安培電流
於是傳輸線損耗 100瓦 傳輸損耗約10%
若是以 1000伏特傳輸 則需要提供 1安培電流
於是傳輸線損耗 1瓦 傳輸損耗約 0.1%

6:黃福坤 (研究所)張貼:2002-12-05 17:03:00: [回應上一篇]
Quote:

在 2002-12-05 02:17, Clever 寫了:
大概是是我沒把文章看完...
但還是有個問題想請教一下,我一直搞不懂..不是說P=IV所以V大I就小,但是以長距離來說,銅線就好比一個電阻(R),而V=IR(R固定)那V大,I不是也應該大嗎??


問題是 傳輸電壓全部都分布在導線上嗎?
傳輸組抗包含 導線電阻與使用者端的負載電阻...仔細想一想
(通常傳輸後 是靠變壓器變壓後提供給使用者的)
7:physman榮譽點數3點 (研究所)張貼:2002-12-09 22:40:00: [回應上一篇]
Quote:

在 2002-12-05 16:43, 黃福坤 寫了:
Quote:

在 2002-12-04 22:57, physman 寫了:
非常謝謝黃老師的解釋
但仍有一些疑惑
1.電阻的耗電功率不是也可以表為P=(V^2)/R嗎?
若是這樣,那麼P要求要小不就是V要小了嗎?
2.以P=(V^2)/R、P=I^2*R和R=電導率*(l/A)來解釋電能傳輸是否洽當呢?


一般家用電源為電壓源 因此電器所消耗的功率是 $P=\frac{V^2}{R}#width=45&height=62$
但是我們在討論傳輸問題時 所談的是 導線所損耗的功率 而不是使用端 負載所損耗的功率 不要將以上兩者混淆
此時 傳輸線 電阻固定

例如 使用者要求傳輸 1000瓦 的功率
輸導線電阻為 1歐姆
若是以 100伏特傳輸 則需要提供 10安培電流
於是傳輸線損耗 100瓦 傳輸損耗約10%
若是以 1000伏特傳輸 則需要提供 1安培電流
於是傳輸線損耗 1瓦 傳輸損耗約 0.1%



我的想法是,
1.傳輸的電功率為1000瓦
2.傳輸電力的導線的電功率消耗率為1%
3.導線的截面積與材質相同
則以100伏特端電壓傳輸時的導線長度l為:
1000*1%=(100^2)/R, R=10000/10=100=k*l, l=100/k
而以1000伏特端電壓傳輸時的的導線長度l'為:
1000*1%=(1000^2)/R', R'=1000000/10=100000=k*l', l'=100000/k
因此高電壓下傳輸較遠。
另以電流來看:
以10安培電流傳輸時的導線長度L為:
1000*1%=(10^2)*r, r=100/100=1=k*L, L=1/k
而以1安培電流傳輸時的導線長度L'為:
1000*1%=(1^2)*r', r'=100/1=100=k*L', L'=100/k
因此以低電流傳輸較遠。
綜上的結果是符合於P=IV的關係,而且又似乎能避掉P=(V^2)/R與 P=(I^2)*R的困擾。
8:黃福坤 (研究所)張貼:2002-12-10 15:02:00: [回應上一篇]
Quote:

在 2002-12-09 22:40, physman 寫了:
我的想法是,
1.傳輸的電功率為1000瓦
2.傳輸電力的導線的電功率消耗率為1%
3.導線的截面積與材質相同
則以100伏特端電壓傳輸時的導線長度l為:
1000*1%=(100^2)/R, R=10000/10=100=k*l, l=100/k
而以1000伏特端電壓傳輸時的的導線長度l'為:
1000*1%=(1000^2)/R', R'=1000000/10=100000=k*l', l'=100000/k
因此高電壓下傳輸較遠。


傳輸線的電壓降要是都在傳輸線上
此時傳輸線另一端使用者端的電壓降豈不是為零
如此一來傳輸功率都消耗在傳輸線上(或許改稱消耗線而不是傳輸線)
1000*1%=(100^2)/R 是錯誤的 可以是1000*1%=(I^2) R

傳輸線上通過的電流和接收端的電流一樣
但是傳輸線電源端的電壓差希望能傳遞到另一端幾乎沒有電壓降才是理想的傳輸線(實際上會稍微有電壓降=傳輸電流*傳輸導線電阻 應該遠小於傳輸電壓)

9:physman榮譽點數3點 (研究所)張貼:2002-12-11 23:05:00: [回應上一篇]
撇開數學不看,以物理來看吧。
電力傳輸以高電壓為之時,移動電荷(電流)少[因為P=IV,I、V成反比],則其和導線中正電荷(導線本身的原子核)因碰撞而損耗能量的機會就少了,所以能量的損耗少。
10:黃福坤 (研究所)張貼:2002-12-12 07:52:00: [回應上一篇]
沒錯!不過還是撇不開數學的"反比"關係
傳輸線因為本身有固定電阻 傳輸線所消耗功率和所通過電流平方成反比
想要透過傳輸線傳輸一定的功率
若是以高電壓傳輸則傳輸線通過的電流減小 
因此所消耗的功率變小!


11:physman榮譽點數3點 (研究所)張貼:2002-12-16 23:14:00: [回應上一篇]
黃老師:
我一直在想自己的迷思在哪裡呢?有一點心得如下,請指正。
我們談的是電路中電力(能)的傳輸問題,所以先分清楚電路中各元件的能量角色是很重要的。
一般我都是把電路中各元件依其能量的角色分為三類,
一是提供電能的電源;二是消耗電能的電器;三是傳輸電能的導線。
那麼我們就希望電源提供電能儘量能用在電器上而非導線上,也就是要提高傳輸電能的功率。
所以,我們使用電阻小的物質作為導線的材料以減少功率的損耗。此時電路的電流就有變大的趨勢,如此會減損我們用减小導線電阻以減少功率損耗的目的,
因此,在考慮電源輸出功率一定下,我們提高電源輸出的電壓來降低電流來達成上述減低電能損耗的目的。
12:黃福坤 (研究所)張貼:2002-12-17 08:02:00: [回應上一篇]
Quote:

在 2002-12-16 23:14, physman 寫了:
...
那麼我們就希望電源提供電能儘量能用在電器上而非導線上,也就是要提高傳輸電能的功率。
所以,我們使用電阻小的物質作為導線的材料以減少功率的損耗。此時電路的電流就有變大的趨勢,如此會減損我們用减小導線電阻以減少功率損耗的目的,...



正因為希望功率盡量消耗在電器上而不是導線上
因此電器的阻抗必然遠大於導線 (電器與導線串聯)
因此使用更小的導線電阻 所增加的電流影響有限

本區 註冊登入 者方可留言 回首篇留言
本討論串狀態為:提出問題,等待討論
黃福坤 修改,轉成中文版面並增加功能 從2011/06/15起
對本討論區有何疑問 請 管理區:onlineid=0:time=1513205381/Dec:14 06:12:page time=0s